Background

Integrating natural enzymes and nanomaterials exhibiting tailored enzyme-like activities is an effective strategy for the application of cascade reactions. It is essential to develop a highly efficient and robust glucose oxidase-catalase (GOx-CAT) cascade system featuring controllable enzyme activity, a reliable supply of oxygen, and improved stability for glucose depletion in cancer starvation therapy. However, the ambiguous relationship between structure and performance, and the difficulty in controlling enzyme-mimic activity, significantly hinder their broader application. Herein, the CAT-like activity of atomically precise Au₂₅(MPA)₁₈ (MPA = 3-mercaptopropionic acid) nanoclusters (AuNCs) was modulated by incorporating N-acetyl-L-cysteine (NAC) in a series of ratio.

Results

It is found that Au₂₅(NAC)_14-17(MPA)_4-1 exhibited superior CAT-like activity and structural stability than Au₂₅(MPA)₁₈ owing to the intramolecular hydrogen bond in NAC. Moreover, the synergetic effects of glucose-depletion catalyzed by GOx, oxygen generation from the intermediate hydrogen peroxide (H₂O₂) facilitated by Au₂₅(NAC)_14-17(MPA)_4-1, and protective function and nanoconfinement effect of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) enabled the GOx-Au₂₅(NAC)_14-17(MPA)_4-1@ZIF-8 composite to degrade more glucose. Compared to that treated with a single enzyme or free enzymes, the residual intermediate H₂O₂ level after treatment with GOx-Au₂₅(NAC)_14-17(MPA)_4-1@ZIF-8 was about 93% lower than that after treatment with GOx alone. This composite showed higher catalytic activity, stability, and tolerance when applied to GOx-mediated glucose depletion.

Significance

In brief, the study provides a feasible strategy for realizing robust and efficient cascade reaction by integrating the merits of natural enzymes and atomically precise metal NCs with adjustable enzyme-like activity. This research offers essential guidance for developing a biocompatible and tailored cascade system.

中文翻译：

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配体工程可增强金纳米簇与 ZIF-8 基质中葡萄糖氧化酶结合的级联反应的过氧化氢酶样活性

 背景

整合天然酶和表现出定制酶样活性的纳米材料是应用级联反应的有效策略。在癌症饥饿治疗中，开发一种高效且稳健的葡萄糖氧化酶-过氧化氢酶 （GOx-CAT） 级联系统至关重要，该系统具有可控的酶活性、可靠的氧气供应和更高的葡萄糖耗竭稳定性。然而，结构和性能之间的模糊关系以及控制酶模拟活性的难度，严重阻碍了它们更广泛的应用。在此，通过以一系列比例掺入 N-乙酰基-L-半胱氨酸 （NAC） 来调节原子精确的 Au ₂₅ （MPA） ₁₈ （MPA = 3-巯基丙酸） 纳米簇 （AuNCs） 的 CAT 样活性。

 结果

研究发现，由于 NAC 中的分子内氢键，Au ₂₅ （NAC） _14-17 （MPA） _4-1 表现出优于 Au ₂₅ （MPA） ₁₈ 的 CAT 样活性和结构稳定性。此外，GOx 催化的葡萄糖消耗协同效应、Au ₂₅ （NAC） _14-17 促进的中间过氧化氢 （HO _{2 2} ） 产生氧气 _4-1 ，以及沸石咪唑酸盐框架-8 （ZIF-8） 的保护功能和纳米限制效应使 GOx-Au ₂₅ （NAC） _14-17 （MPA） _4-1 成为可能@ZIF-8 复合材料降解更多葡萄糖。与单一酶或游离酶处理相比，GOx-Au ₂₅ （NAC） _14-17 （MPA） _4-1 @ZIF-8 处理后的残留中间体 H ₂ O ₂ 水平比单独使用 GOx 处理后低约 93%。当应用于 GOx 介导的葡萄糖耗竭时，这种复合物显示出更高的催化活性、稳定性和耐受性。

 意义

简而言之，该研究提供了一种可行的策略，通过将天然酶和原子精确金属 NC 的优点与可调节的酶样活性相结合，实现稳健高效的级联反应。这项研究为开发生物相容性和定制的级联系统提供了重要指导。